Sistema mecánico capaz de manipular estados cuánticos en un objeto nanométrico

Unos científicos han utilizado resonadores hechos de diamantes unicristalinos para desarrollar un novedoso dispositivo en el que un sistema cuántico queda integrado dentro de un sistema mecánico oscilante. Por vez primera, se ha comprobado que este sistema mecánico puede ser usado para manipular coherentemente el espín de un electrón integrado en el resonador, sin antenas externas o estructuras microelectrónicas complejas.

En estudios anteriores, el equipo de investigación liderado por Patrick Maletinsky, del Instituto Suizo de Nanociencia en la Universidad de Basilea en Suiza, describió cómo los resonadores hechos de diamantes unicristalinos con electrones integrados individualmente son muy adecuados para manejar el espín de estos electrones. Los resonadores fueron modificados en múltiples configuraciones de manera que un átomo de carbono de la retícula diamantina era reemplazado por un átomo de nitrógeno en sus retículas cristalinas, con un átomo ausente directamente adyacente. En estos centros nitrógeno-vacantes, se atrapan electrones individuales.

Cuando el resonador empieza a oscilar, se crea tensión en la estructura cristalina del diamante. Esto, a su vez, influye sobre el espín de los electrones, el cual puede indicar dos posibles “direcciones” ("hacia arriba" o "hacia abajo") al ser medido. La dirección del espín puede ser detectada con ayuda de espectroscopia de fluorescencia.

El resonador oscilante influye en el espín del electrón en los centros nitrógeno-vacantes (flechas rojas). Su espín puede ser leído de forma eficiente mediante espectroscopia de fluorescencia. (Imagen: Universidad de Basilea)

En sus últimos experimentos, los científicos han hecho agitarse a los resonadores de una manera que les permite inducir una oscilación coherente del espín acoplado por vez primera. Esto significa que el espín de los electrones conmuta del estado "hacia arriba" al estado "hacia abajo" y viceversa, en un ritmo rápido y controlado, y que los científicos pueden regular el estado del espín en cualquier momento. Esta oscilación del espín es rápida comparada con la frecuencia del resonador. También protege al espín frente a los mecanismos capaces de provocar decoherencia cuántica.

Es posible que este resonador pueda aplicarse a sensores (potencialmente dotándolos de una sensibilidad muy grande), porque su oscilación puede ser registrada a través del espín alterado.

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